유압 시스템 기초 선정법

유압을 이용한 장비를 설계하는 데 있어서 사용 유압, 필요한 모터의 출력, 실린더의 직경 등을 정하는 과정은 매우 기본적이긴 하지만 경험이 없는 상태에서는 어렵고 힘든 일임에 틀림 없습니다. 저 역시 지금도 잘 모르긴 하지만, 그나마 기초적인 것이라도 선정하는 경우에 도움이 되길 바라는 마음에 유압 시스템의 기초적인 사양 선정법을 예시를 통해 정리해 볼까 합니다.

1. 실린더 선정

일단, 기계 설계 중 유압을 동력으로 하는 장치를 만들 때, 필요한 힘을 결정하고 이 힘에 적합한 실린더를 선정하는 것이 첫 단계입니다.

예를 들어, 실린더로 제품을 포함한 테이블을 밀어 상승시키는 장치를 제작하려하고 그 무게의 합이 1.5 ton이라면, 적어도 실린더가 1.5 ton 이상의 힘을 내야 할 것입니다. 사용 유압은 시중에 나오는 유압펌프들이 70, 140, 210 ㎏·f/㎠ 이므로 적당한 것으로 선정하면 됩니다. 사실 정확한 계산으로 펌프의 사양을 정해야 하겠지만, 현업에서는 소규모의 경우는 70, 덩치가 제법 있는 50 ton 내외의 힘이 필요한 경우 140 ㎏·f/㎠ 짜리 압력의 펌프를 사용합니다. 고압의 유체를 다루게 되면 그에 따라 관로 및 배관도 고압의 것을 사용해야 하므로 신경써야 할 부분도 많고, 제작 금액도 그 만큼 올라갑니다. 필요한 힘에 따라 여기서는 사용압력을 140 ㎏·f/㎠ 으로 하겠습니다.

$$F = P \times A$$
에서 F는 필요한 힘(㎏·f), P는 사용압력(㎏·f/㎠), A는 실린더의 단면적(㎠)
$$A = \frac {1500}{140} = 10.7$$
따라서
$$A = \frac{\pi {D}^{2}}{4}에서, D = \sqrt{\frac{4A}{\pi }} = 3.7㎝$$
그러므로, 표준실린더 사양인 직경 40㎜짜리를 사용하면 되겠습니다.

2. 펌프의 선정

펌프를 선정할 때, 처음에 사용 압력은 정했으나, 아직 유량이 정해지지 않았습니다. 유량은 실린더의 동작 속도에 따라 정해지는 것이고, 유량이 정해져야 작동유를 담을 탱크의 크기가 정해집니다.

앞서 정해진 Ø40 실린더가 150 ㎜의 행정을 전진하여 원하는 높이에 다다르는데 3초가 걸린다고 정한다면,

$$Q = vA\\
\\
\text{Q = 펌프 유량(l/min), v = 실린더의 속도(cm/s), A = 실린더의 단면적(㎠)에서}
\\
Q = \left( \frac {15 ㎝}{3 sec}\right) \times (\pi {2}^{2}㎠)\\
= 62.83 ㎠/s \\
= 3.77 l/min
$$

3. 모터의 출력 선정

펌프 및 사용 압력에 따라 결정합니다. 

위에서 선정된 값들을 이용해 아래 식에 대입합니다.

$$KW = \left( \frac{PQ}{612} \right)\\
=\frac {140\times 3.6}{612} = 0.82\\
\therefore \text{펌프의 용량 = 1 HP}\\
\because 1HP=0.75 ㎾ $$

4. 유압 탱크의 선정

유압 탱크 용량은 딱히 정해진 공식이 있는 것은 아닙니다. 유압 장치의 용도나 사용 빈도에 따라 펌프 토출량의 3~5배로 정하는 것이 일반적인 선정법입니다. 탱크 안에 불순물이 침전되는 시간, 작동유가 관로를 따라 다니면서 발생하는 마찰열, 이를 자연냉각하는데 필요한 시간 등을 고려해서 어느 정도의 경험치를 적용해 정하게 됩니다. 특별한 경우가 아니면 3~5배 정도를 적용합니다. 예를 들어 위의 결과로 나온 유압 시스템에는 유량이 3.77 이므로 20L 정도로 잡으면 충분한 것입니다.

엔지니어링 센스(Engineering Sense)와 노하우(Know-how)를 발휘할 때이죠. :)